CPU 入门·一颗处理器到底在干什么

1945 年前后的第一代电子计算机 ENIAC，换一个计算任务要靠人重新插线、拨开关，一插就是几天。同年，数学家冯·诺依曼在一份报告里提出了一个关键想法：把“要做的步骤”（程序）也当成数据，和要处理的数一起存进内存。机器只要按顺序读出步骤、照着做就行，换任务只要换内容，不用换线。这就是“存储程序”结构，今天几乎所有 CPU 都还按这个思路工作。

早期的 CPU 由成柜子的电路板拼成。1971 年，Intel 把整个处理器做进了一颗芯片，这就是 4004：约 2300 个晶体管，4 位，最高约 740 kHz。“一颗芯片就是一个处理器”，所以叫微处理器。五十多年后，一颗台式机 CPU 里有几十亿到上百亿个晶体管，两家主要厂商是 Intel 和 AMD（这段恩怨见 x86 五十年）。

CPU 和 GPU 有什么不一样

GPU（图形处理器）原本专门画游戏画面，1999 年 NVIDIA 把它作为独立概念推出。画面上几百万个像素，每个都做差不多的计算，于是 GPU 走了另一条路：放成千上万个简单的小核心，一起做同一种事。CPU 则相反：只有几个到几十个核心，但每个都很聪明，会猜下一步、会调换顺序、能应付千变万化的程序。今天的 AI 训练主要靠 GPU，原因见 AI 芯片。

晶体管是一个用电控制的开关：给它的控制端加电压，它就导通；撤掉，就断开（详见 晶体管与制程）。“通”记作 1，“断”记作 0。只用 0 和 1 来表示数，叫二进制。比如十进制的 5，二进制写作 101。

1937 年，还是研究生的香农（Claude Shannon）发现：把开关串起来、并起来，正好能实现一百年前布尔提出的逻辑运算“与、或、非”。这种用几个晶体管搭出来、做一种逻辑判断的小电路，叫逻辑门：

• 与门（AND）：两个输入都是 1，输出才是 1。像两个串联的开关。
• 或门（OR）：有一个是 1，输出就是 1。像两个并联的开关。
• 异或门（XOR）：两个输入不一样时输出 1。

把一个异或门和一个与门放在一起，就能算 1 位二进制加法：异或给出“本位的和”，与门给出“要不要进位”。这叫半加器。再把 64 个加法“格子”首尾相连，就是能算 64 位数的加法器。CPU 里负责算术和逻辑运算的部件叫 ALU（算术逻辑单元），它的核心就是这些加法器。

指令是 CPU 能直接执行的最小命令，比如“把两个数相加”“从内存第 100 号格子读一个数”“如果结果是 0 就跳到别处”。程序就是一长串指令，存放在内存里。内存像一排带编号的格子，编号叫地址。

CPU 里有一个专门的小格子叫程序计数器（PC），它记着“下一条指令在哪个地址”。CPU 就这样一圈圈地转：

1. 取指按 PC 的地址，把指令从内存搬进来，PC 加一。
2. 译码看懂这条指令：要做加法？用哪几个数？
3. 执行让 ALU 去算，或者去内存读写。
4. 写回把结果存进寄存器，然后回到第 1 步。

遇到“跳转”指令时，CPU 直接改写 PC，下一圈就从别的地址开始取。if 判断、循环，都是这样实现的。

为什么需要时钟？加法器算出结果需要一点点时间，不同路径快慢不一。如果谁算完谁就往下传，后面的电路会收到一半新一半旧的数据，乱成一团。解决办法是像乐队指挥一样，给全芯片发一个统一的节拍：每“滴答”一下，所有寄存器同时把上一拍算好的结果存下来，中间的电路只要在一拍之内算完就行。这种设计叫同步电路，几乎所有 CPU 都是这样。

每秒“滴答”多少下，就是时钟频率，单位赫兹（Hz）。1 GHz 是每秒 10 亿下。4004 约 0.74 MHz；2000 年 AMD Athlon 率先到 1 GHz；今天台式机 CPU 最高约 5 到 6 GHz。

频率高就一定快吗？

不一定。性能约等于 频率 × 每拍完成的指令数（IPC）。一颗 4 GHz、每拍做 6 条的 CPU，比一颗 5 GHz、每拍只做 3 条的快得多。2000 年代初 Intel 的 Pentium 4 就是只追频率、吃了大亏的例子（见 走进死胡同的路线）。

它的缺陷：频率墙

每次“滴答”都要给大量导线充放电。功耗大约和 电压² × 频率 成正比，而频率越高往往还要加电压，所以频率稍涨，发热猛涨。2005 年前后，频率被热量卡在了 4 GHz 附近，之后厂商改走“多核”路线（背景见 晶体管与制程）。今天的频率只是缓慢爬升，CPU 还会根据温度和负载自动升降频率，叫睿频。

寄存器是 CPU 内部最小、最快的存储格子，ALU 只能直接对它们做运算。x86 CPU 的通用寄存器只有 16 个，每个 64 位（8 字节）。内存（DRAM，就是你买电脑时说的“16 GB 内存”）大得多，但在芯片外面，取一次数据要约 80 到 100 纳秒，这期间 CPU 本可以执行几百条指令。

为了填补这个巨大的速度差，人们在 CPU 里放了几层缓存（Cache）：用速度快但占地方的 SRAM 做的小仓库，自动保存“最近用过、马上可能还要用”的数据。1968 年 IBM 的大型机最早商用了缓存；1989 年 Intel 的 i486 第一次把 8 KB 缓存做进了 x86 芯片里。今天通常分三层：每个核心自己的 L1、L2，加上所有核心共享的 L3。

缓存有效，是因为程序有“习惯”：刚用过的数据很可能马上再用，挨着的数据也很可能接着用。猜中了叫命中，猜不中叫未命中，只好去下一层找。缓存的缺陷是占面积大、费电，而且 SRAM 很难随工艺继续缩小，所以 AMD 后来干脆把额外缓存叠在芯片上面（见 AMD 路线）。

总线：数据走的路

总线是芯片之间传数据的一组导线，加上一套“谁先说话”的规矩。1990 年代到 2000 年代的 PC，CPU 通过一条叫前端总线（FSB）的共享通道连到主板上的“北桥”芯片，再由北桥去连内存和显卡。它的好处是结构简单、各家零件好搭配；缺陷是所有数据挤一条路，CPU 越快越堵。

于是 AMD 在 2003 年的 K8（Athlon 64、Opteron）里把内存控制器直接搬进了 CPU，并改用点对点的 HyperTransport 连接；Intel 在 2008 年的 Nehalem（第一代 Core i7）跟进，改用 QPI。前端总线和北桥就此退役。今天 CPU 自己直接连内存和 PCIe 设备（显卡、固态硬盘），剩下的 USB、网卡等慢速设备才交给主板上的芯片组。

指令集（ISA）是 CPU 和软件之间的约定：有哪些指令，每条用哪串 0 和 1 表示，有几个寄存器。软件被编译成某种指令集的机器码，就只能在“说这种语言”的 CPU 上跑。

x86 是 Intel 1978 年为 8086 芯片定的指令集，名字来自 8086、80286、80386 这串型号。IBM PC 选了它，海量软件随之而来，此后每一代都必须兼容老软件。1985 年的 386 把它扩成 32 位；2003 年 AMD 又把它扩成 64 位（x86-64，也叫 AMD64），Intel 后来也采用了。所以今天的 Intel 和 AMD CPU 说的是同一种语言，同一份 Windows 两边都能装。

CISC 和 RISC：两种造词思路

早期内存又贵又小，人们希望一条指令能多干点活，比如“从内存读一个数、加上寄存器里的数、再写回内存”一步完成。这种思路叫 CISC（复杂指令集），x86 就是代表。缺点是指令长短不一（x86 一条 1 到 15 字节）、种类繁多，CPU 很难把它们做快。

1970 年代中到 1980 年代初，IBM 的 801 项目、伯克利的 RISC 项目和斯坦福的 MIPS 项目提出了反方向：只要简单、等长的指令，读写内存和计算分开，硬件做简单了反而能跑得更快。这叫 RISC（精简指令集）。今天手机里的 ARM、开源的 RISC-V 都属于这一派。

x86 的答案很聪明：外面说 CISC，里面做 RISC。1994 年 NexGen 的 Nx586、1995 年 Intel 的 Pentium Pro 开始，CPU 先用译码器把每条复杂的 x86 指令拆成几条简单的微操作（µop），后面的执行部分只处理 µop。今天所有的 x86 CPU 都这样做，代价是译码器又大又费电，所以还加了“µop 缓存”把译好的结果存起来重用。x86 与 ARM 的竞争见 x86 的未来。

核心（Core）是一套完整的取指、译码、执行电路，能独立跑一串指令。2005 年以前，PC 的 CPU 基本只有一个核心，“同时开很多程序”其实是操作系统让它每秒切换几百上千次，快到你感觉不出。

2001 年 IBM 的 POWER4 第一次在一颗商用芯片上放了两个核心；2005 年 AMD 的 Athlon 64 X2 和 Intel 的 Pentium D 把双核带进了 PC。原因很直接：频率被热量卡住了，而晶体管还在一代代变多，多放几个核心是把晶体管变成性能最直接的办法。今天台式机常见 6 到 24 核，服务器芯片据报道已到 192 核甚至更多。

线程（Thread）是软件里“一串需要按顺序执行的指令”。一个程序可以拆成好几个线程，分给不同核心同时跑。还有一招叫同时多线程（SMT），Intel 叫它超线程，2002 年推出：核心在等内存数据时常常闲着，那就让一个核心同时挂两个线程，A 卡住时 B 顶上。所以你会看到“8 核 16 线程”的说法。

多核和超线程的缺陷

• 软件要会“分工”。很多程序有一部分只能一步接一步做，核心再多也帮不上忙。所以单核性能依然重要，游戏尤其如此。
• 核心之间要对账。几个核心可能改同一份数据，必须有电路保证大家看到的一致，核心越多越复杂。
• 超线程有安全隐患。两个线程共用一套部件，一个线程有可能“偷看”另一个的痕迹。加上它占面积、收益不稳定，Intel 在 2024 年的 Lunar Lake 和 Arrow Lake 里去掉了超线程，AMD 的 Zen 系列仍然保留。

另一个新趋势是大小核：Intel 从 2021 年的 Alder Lake 起，把高性能的大核（P 核）和省电省面积的小核（E 核）放在同一颗芯片里，详见 Intel 路线。

如果把一颗 2020 年代的台式机或笔记本 CPU 的芯片从上往下看，大概能看到这些区域。核心只占一部分，缓存、核显和各种“接口”占了大片面积。这种把整个系统做进一颗芯片的做法，叫 SoC（片上系统）。

核显（集成显卡）的故事很典型：2010 年 Intel 先把显卡芯片和 CPU 放进同一个封装，2011 年 Intel 的 Sandy Bridge 和 AMD 的 Llano 把它直接做进了同一颗芯片。好处是大多数人不用再买独立显卡；缺陷是它要和 CPU 抢功耗、抢内存带宽。2023 年以后的笔记本 CPU 又多了 NPU（神经网络处理器），专门省电地跑 AI 小任务。

CPU 的硅片（裸片）通常只有指甲盖大小，表面上有成千上万个连接点。它先被倒扣在一块小电路板（封装基板）上，靠密密麻麻的小凸点连接，这叫倒装。基板把细小的连接“放大”成主板能对上的间距。台式机 CPU 上面还盖一块金属顶盖（IHS），保护芯片，把热量均匀传给散热器。

封装底下怎么连主板，有三种主流方式：

• PGA（针栅阵列）：针脚长在 CPU 上，插进主板插座的小孔。1980 年代起普及，1990 年前后的“零插拔力”插座让用户可以自己换 CPU。缺陷是针容易弯，针也很难再做密。AMD 的 AM4（1331 针）是桌面上最后一代主流 PGA，2022 年起换成了 LGA。
• LGA（触点栅阵列）：反过来，CPU 底部只有平的金属触点，弹性针脚长在主板插座上。Intel 2004 年的 LGA775 开始在桌面使用。触点可以更密更多，比如 Intel 的 LGA1700、LGA1851，AMD 的 AM5（LGA1718）。缺陷是主板插座的弹针怕压弯，一弯就要修主板。
• BGA（球栅阵列）：底部是一颗颗锡球，直接焊在主板上，拆不下来（原理见 BGA）。最薄、最省空间、电气性能最好。2010 年代中期起，笔记本 CPU 基本都变成了 BGA，手机芯片更是一直如此。